(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータ及びステータが回転軸に沿う回転軸方向で対向配置されるアキシャルギャップ型回転機であって、
前記ロータは、前記回転軸周りの周方向に配設された複数の永久磁石を有しており、
前記複数の永久磁石を個別に前記回転軸と直交する半径方向に着脱自在とさせる着脱機構を有し、
前記着脱機構は、
前記永久磁石の周りをフレームで枠状に囲った磁石ユニットと、
前記ステータと対向する回転軸方向一方側に、前記半径方向に沿って前記磁石ユニットを保持する保持面を有すると共に、前記回転軸方向一方側と逆側の回転軸方向他方側から前記磁石ユニットを前記保持面に締結固定自在なロータディスクと、
前記ロータディスクの外周側において、前記保持面に対して前記回転軸方向一方側に突出し前記磁石ユニットと前記半径方向で対向可能な対向位置と、前記対向位置から退避する退避位置との間で前記回転軸方向に移動自在なアウターホルダと、を有することを特徴とするアキシャルギャップ型回転機。
【請求項２】
前記着脱機構は、前記ロータディスクの半径方向中心側において、前記保持面に対して前記回転軸方向一方側に突出し前記磁石ユニットと前記半径方向で対向可能な突出部を有することを特徴とする請求項１に記載のアキシャルギャップ型回転機。
【請求項３】
前記保持面に形成された溝と、前記保持面に保持される第１の磁石ユニットと、該第１の磁石ユニットと前記周方向で隣り合って保持される第２の磁石ユニットと、で形成される隙間に半径方向に挿入し該隙間を充填するキー部材を有することを特徴とする請求項１または２に記載のアキシャルギャップ型回転機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロータ及びステータが回転軸に沿う回転軸方向で対向配置されるアキシャルギャップ型回転機（電動機や発電機）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１には、アキシャルギャップ型回転機のロータ構造が開示されている。このロータ構造は、複数の永久磁石を円板状部材の周方向に設けた複数の穴に挿通させ、周方向で隣接する永久磁石の間に複数対の磁束透過部を軸方向外側から接合して設け、半径方向で永久磁石よりも内側に一対のシャフト固定部を軸方向外側から接合して設け、半径方向で永久磁石よりも外側に一対の外環を軸方向外側から接合する構成となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−３０４５３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、従来では、上記ロータ構造のように、永久磁石を予め組み込んでから、回転軸にロータを取り付けることがなされている。
しかしながら、例えば、低回転且つ大トルクのアキシャルギャップ型回転機においては、１個当りの永久磁石の磁力が大きく、それらを予めロータに組み込んでしまうと、モータ組立の際に、ステータに設けられた鉄心等に対して大きな磁力（例えば、直径１ｍ規模のロータにネオジム磁石を設けた場合は約十数トン）が作用してしまい、ロータの取り付けが容易でないという問題がある。また、永久磁石は、脆性材料であるため、何らかの理由で割れや破損等が生じた場合は、交換のためにロータを回転軸から取り外さなければならない。したがって、上記の大きな吸引力に抗してロータを取り外さなければならず、永久磁石の交換作業性が悪いという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、ロータの取り付け及び永久磁石の交換が容易となるアキシャルギャップ型回転機の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するために、本発明は、ロータ及びステータが回転軸に沿う回転軸方向で対向配置されるアキシャルギャップ型回転機であって、上記ロータは、上記回転軸周りの周方向に配設された複数の永久磁石を有しており、上記複数の永久磁石を個別に上記回転軸と直交する半径方向に着脱自在とさせる着脱機構を有するという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、回転軸にロータを取り付けた状態で、半径方向から個別に１個ずつ永久磁石を着脱することが可能となる。したがって、ロータの取り付け前に予め永久磁石を組み込む必要はなく、また、永久磁石の交換時においてもロータを回転軸から取り外す必要はなくなるので、ロータの取り付け及び永久磁石の交換の作業性を向上させることができる。
【０００７】
また、本発明においては、上記着脱機構は、上記永久磁石の周りをフレームで枠状に囲った磁石ユニットと、上記ステータと対向する回転軸方向一方側に、上記半径方向に沿って上記磁石ユニットを保持する保持面を有すると共に、上記回転軸方向一方側と逆側の回転軸方向他方側から上記磁石ユニットを上記保持面に締結固定自在なロータディスクと、を有するという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、ロータディスクの保持面を半径方向に沿って形成することで、永久磁石を枠フレームと共に半径方向に保持面に沿って移動させることができる。また、ロータディスクのステータと対向する面側においては、回転軸方向におけるステータとロータとの隙間が狭く、磁石ユニットを締結固定するためのスペースが確保できないので、ロータディスクに貫通孔等を設け、磁石ユニットの保持面側に対してスペースが確保できる逆側から磁石ユニットを保持面に締結固定自在とさせることで、作業性を向上させる。
【０００８】
また、本発明においては、上記着脱機構は、上記ロータディスクの外周側において、上記保持面に対して上記回転軸方向一方側に突出し上記磁石ユニットと上記半径方向で対向可能な対向位置と、上記対向位置から退避する退避位置との間で上記回転軸方向に移動自在なアウターホルダを有するという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、アウターホルダが対向位置に位置するとき磁石ユニットにかかる半径方向の遠心力を受けさせることができ、また、アウターホルダが退避位置に位置するとき、磁石ユニットを保持面に沿って半径方向に移動させて着脱させることができる。
【０００９】
また、本発明においては、上記着脱機構は、上記ロータディスクの半径方向中心側において、上記保持面に対して上記回転軸方向一方側に突出し上記磁石ユニットと上記半径方向で対向可能な突出部を有するという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、磁石ユニットをロータディスクの中心側に向けて保持面に沿って半径方向に移動させたときに突出部に係止させて半径方向の挿入位置の位置決めをさせることができる。
【００１０】
また、本発明においては、上記保持面に形成された溝と、上記保持面に保持される第１の磁石ユニットと、該第１の磁石ユニットと上記周方向で隣り合って保持される第２の磁石ユニットと、で形成される隙間に半径方向に挿入し該隙間を充填するキー部材を有するという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、半径方向からキー部材を挿入することで、第１の磁石ユニットとそれと隣り合う第２の磁石ユニットとの間のガタツキをなくし、また、トルクをロータディスクに伝達させることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ロータ及びステータが回転軸に沿う回転軸方向で対向配置されるアキシャルギャップ型回転機であって、上記ロータは、上記回転軸周りの周方向に配設された複数の永久磁石を有しており、上記複数の永久磁石を個別に上記回転軸と直交する半径方向に着脱自在とさせる着脱機構を有するという構成を採用することによって、回転軸にロータを取り付けた状態で、半径方向から個別に１個ずつ永久磁石を着脱することが可能となる。したがって、ロータの取り付け前に予め永久磁石を組み込む必要はなく、また、永久磁石の交換時においてもロータを回転軸から取り外す必要はなくなるので、ロータの取り付け及び永久磁石の交換の作業性を向上させることができる。
したがって、本発明では、ロータの取り付け及び永久磁石の交換が容易となるアキシャルギャップ型回転機が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態における超電導モータを示す概略構成図である。
【図２】本発明の実施形態におけるロータの構成を示す正面図である。
【図３】本発明の実施形態におけるロータの構成を示す斜視図である。
【図４】図２におけるＡ−Ａ断面で視たロータの構成を示す図である。
【図５】本発明の実施形態におけるロータの構成を示す背面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明に用いる図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。
本実施形態では、アキシャルギャップ型回転機として、アキシャルギャップ型の超電導モータを例示する。
【００１４】
図１は、本発明の実施形態における超電導モータ１を示す概略構成図である。
超電導モータ１は、図１に示すように、モータフレーム１０と、回転軸２０と、ロータ３０と、ステータ４０と、を有している。本実施形態の超電導モータ１は、船舶等に用いられる大型（例えばロータ３０の直径が１ｍ規模）の超電導モータであり、低回転且つ大トルクを得る構成となっている。
【００１５】
モータフレーム１０は、回転軸２０を軸支する固定側軸受１１及び自由側軸受１２を有する。固定側軸受１１は、回転軸２０に沿う方向（以下、回転軸方向と称する）に働く力を受け止めるスラスト軸受（例えば、円錐ころ軸受）から構成される。一方、自由側軸受１２は、回転軸方向に働く力を逃がすラジアル軸受（例えば、円筒ころ軸受）から構成される。
【００１６】
回転軸２０は、固定側軸受１１と、自由側軸受１２とに軸支され、モータフレーム１０を貫通して回転自在に設けられている。そして、回転軸２０の固定側軸受１１によって軸支されてモータフレーム１０から外部に延びる側（図１において紙面左側）が、出力側となっている。
【００１７】
モータフレーム１０の内側には、ロータ３０と、ステータ４０とが配置されている。
ロータ３０は、回転軸２０にその回転軸方向に間をあけて、ステータ４０を回転軸方向で挟み込むようにして一対で設けられている。ロータ３０は、回転軸２０と接続され、回転軸２０と一体的に回転する。
【００１８】
ロータ３０には、ステータ４０が設けられる側に永久磁石３１が設けられ、さらに、永久磁石３１の背面の磁路としてバックヨーク３２が設けられている。
【００１９】
ステータ４０は、モータフレーム１０に対して固定されている。ステータ４０は、電機子コア４１を回転軸方向に貫通して配置する孔部４２を有する断熱冷媒容器（電機子コイル容器）４３を有する。断熱冷媒容器４３の中心部には、回転軸２０が挿通する孔部４４が形成されている。
【００２０】
断熱冷媒容器４３は、超電導コイル４５を内部に収容すると共に極低温に保持する電機子用断熱冷媒容器であって、内部に液体窒素、液体ヘリウム、液体ネオン等の冷媒を収容する構成となっている。本実施形態の断熱冷媒容器４３は、ＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）材料から形成されている。
【００２１】
超電導コイル４５は、ビスマス系やイットリウム系等の超電導材から形成されるテープ状のものを孔部４２周りに巻回したコイルユニットを、回転軸方向に複数配設して構成されている。断熱冷媒容器４３には、回転軸２０周りの周方向に等間隔で６つの孔部４２が設けられており、それぞれの周りに超電導コイル４５が設けられている。
【００２２】
電機子コア４１は、超電導コイル４５がつくる磁束を増幅させると共に、該磁束を集めるように機能する（ＦＬＣ：フラックスコレクタ）。本実施形態の電機子コア４１は、積層鋼板から構成されている。電機子コア４１は、超電導コイル４５が周囲に配置された孔部４２のそれぞれに回転軸方向に挿通して配置され、電機子プレート４６，４７によって保持されている。
【００２３】
上記構成の超電導モータ１は、外部から超電導コイル４５に交流電流を供給することにより、該交流周期に応じて電機子コア４１の回転軸方向両端にＮ極、Ｓ極を交互に出現させ、その回転磁界によりロータ３０の永久磁石３１との間で、吸引力・反発力を作用させることによって、ロータ３０を回転させる。そして、ロータ３０と一体的に接続された回転軸２０を軸周りに回転させることで、超電導モータ１は、低回転且つ大トルクの回転駆動力を得る。
【００２４】
上記のとおり、この大トルクの回転駆動力は、ステータ４０において超電導現象により超電導コイル４５に大電流を流し電機子コア４１を磁化して発生させた強磁界と、ロータ３０に設けた永久磁石３１の強磁界の周方向の磁力により発生するが、それと同時に電機子コア４１と永久磁石３１の間には、回転軸方向にも強大な磁力が作用する。この超電導モータ１では、回転軸方向においてステータ４０を挟んだ位置に一対でロータ３０を設け、この回転軸方向の磁力を相殺させる構成となっている。
【００２５】
上記構成の超電導モータ１におけるロータ３０は、複数の永久磁石３１を個別に回転軸２０と直交する半径方向に着脱自在とさせる着脱機構を有する。
以下、この着脱機構について図２〜図５を参照しつつ詳しく説明する。
【００２６】
図２は、本発明の実施形態におけるロータ３０の構成を示す正面図である。図３は、本発明の実施形態におけるロータ３０の構成を示す斜視図である。なお、図３においては、後述するアウターホルダ７０やネジ穴等の図示を省略している。図４は、図２におけるＡ−Ａ断面で視たロータ３０の構成を示す図である。図５は、本発明の実施形態におけるロータ３０の構成を示す背面図である。
【００２７】
永久磁石３１は、略扇形状となっている（図２及び図３参照）。永久磁石３１は、磁石フレーム５０によって枠状に囲まれて個別にユニット化された磁石ユニット６０となっている。磁石フレーム５０は、永久磁石３１の一対の直線辺に沿って設けられる直線辺フレーム５１，５２と、永久磁石３１の内径側の円弧辺と外径側の円弧辺に沿って設けられる円弧辺フレーム５３，５４とを、枠状に締結固定して形成されている。
【００２８】
直線辺フレーム５１，５２は、永久磁石３１を厚み方向（回転軸方向）で挟み込む挟持部５５を有する（図３参照）。円弧辺フレーム５３，５４には、厚み方向（回転軸方向）にネジ孔５６が形成されている（図２参照）。
【００２９】
円弧辺フレーム５４の中央部の絶縁材５４ａは、ネジ部材５４ｂ（図２参照）の螺入により半径方向で永久磁石３１と接触する。また、永久磁石３１の一対の直線辺の少なくとも一部は、直線辺フレーム５１，５２に接触する構成となっている。これにより、永久磁石３１と磁石フレーム５０とを少なくとも３点接触させ、半径方向及び周方向のガタツキをなくしている。また、永久磁石３１と磁石フレーム５０との隙間の適所は、不図示の接着剤により充填されている。
【００３０】
上記構成の磁石ユニット６０は、ロータディスク６１の保持面６１ａに締結固定自在とされている。ロータディスク６１の中心部には、回転軸２０を嵌め込む孔部６２が形成されている。ロータディスク６１のステータ４０と対向する回転軸方向一方側（図４において紙面左側）に、半径方向に沿って磁石ユニット６０を保持する保持面６１ａが形成されている。
【００３１】
ロータディスク６１の回転軸方向一方側には、図３に示すように、バックヨーク３２が埋設されている。バックヨーク３２は、ロータディスク６１内に環状に設けられている。
【００３２】
ロータディスク６１の中心側には、保持面６１ａに対して回転軸方向一方側に突出し、磁石ユニット６０と半径方向で対向可能な突出部６６が設けられている。突出部６６には、磁石ユニット６０の先端部を嵌め込んで位置決めする溝６６ａが複数（本実施形態では１ロータあたり８個）形成されている。
【００３３】
ロータディスク６１の内環部６３及び外環部６４には、溝６６ａにより位置決めされた磁石ユニット６０を、回転軸方向一方側と逆側の回転軸方向他方側（図４において紙面右側）から保持面６１ａに締結固定自在とさせる孔部６７が形成されている。孔部６７は、ネジ孔５６と回転軸方向で一致する位置に形成されている。
【００３４】
図３に示すように、外環部６４の保持面６１ａには、キー溝（溝）６８が形成されている。キー溝６８は、保持面６１ａに保持されるある特定の磁石ユニット６０Ａ（第１の磁石ユニット）と、周方向で隣り合って保持される磁石ユニット６０Ｂ（第２の磁石ユニット）との隙間に対応する位置に形成されている。そして、キー溝６８と、磁石ユニット６０Ａと、磁石ユニット６０Ｂと、で形成される隙間には、半径方向にキー部材６９が挿入される構成となっている。
【００３５】
ロータディスク６１の外周側には、保持面６１ａに対して回転軸方向一方側に突出し、磁石ユニット６０と半径方向で対向可能な対向位置（図４において実線で示す）と、当該対向位置から退避する退避位置（図４において２点鎖線で示す）との間で回転軸方向に移動自在なアウターホルダ７０が設けられている。
【００３６】
アウターホルダ７０は、環状に形成されており、半径方向においてネジ部材の螺入により磁石ユニット６０を固定する固定部７１が複数設けられている（図２及び図４参照）。アウターホルダ７０は、ロータディスク６１の回転軸方向他方側に設けられたネジ部材７２の螺入解除により、ロータディスク６１の外周に沿って、回転軸方向に移動自在となる構成となっている。また、アウターホルダ７０は、回転軸方向他方側から磁石ユニット６０を締結固定する外環部６４側のネジ部材７３の螺入を阻害しないように切り欠き部７０ａが形成されている（図５参照）。
【００３７】
続いて、上記構成の超電導モータ１におけるロータ３０の取り付け及び永久磁石３１の交換作業について説明する。
【００３８】
ロータ３０を回転軸２０に取り付ける場合は、先ず、磁石ユニット６０を取り外した状態でロータディスク６１のみを回転軸２０に取り付ける。具体的には、孔部６２に回転軸２０を挿通させて、回転軸方向にロータディスク６１を移動させ、図１に示すような位置で固定する。このように磁石のない状態でモータの基本構造を組立てることにより、組立時の磁力作用を排除し、安全かつ精度良く組立作業をおこなうことができる。
【００３９】
ロータディスク６１を回転軸２０に取り付けたら、ネジ部材７２の螺入解除を行い、アウターホルダ７０を退避位置に移動させる。そして、磁石ユニット６０を半径方向から１個ずつ保持面６１ａに沿って挿入する（図２において矢印で示す）。このように、磁石ユニット６０を個別に取り付けることで、磁力の影響を低減させ、作業性を向上させることができる。また、半径方向から磁石ユニット６０を挿入することで、ロータディスク６１の取り付け後であっても、ロータ３０とステータ４０との狭い隙間で永久磁石３１の組み付けが可能となる。
【００４０】
磁石ユニット６０をロータディスク６１の中心側に向けて保持面６１ａに沿って半径方向に移動させ、磁石ユニット６０の先端部を突出部６６の溝６６ａに嵌め込ませ位置決めする。
【００４１】
次に、回転軸方向他方側（図４において紙面右側）から孔部６７にネジ部材７３を挿入し、その先端部をネジ孔５６に螺入して、磁石ユニット６０を保持面６１ａに締結固定する。このように、スペースを確保できる回転軸方向他方側から磁石ユニット６０を保持面６１ａに締結固定自在とさせることで、作業性を向上させることができる。
【００４２】
磁石ユニット６０を個別に保持面６１ａに締結固定したら、次に、隣り合う磁石ユニット６０Ａ，６０Ｂとキー溝６８との隙間に、キー部材６９を半径方向から挿入する（図３参照）。このように、半径方向からキー部材６９を挿入し、当該隙間を充填することで、第１の磁石ユニット６０Ａとそれと隣り合う第２の磁石ユニット６０Ｂとの間のガタツキをなくし、また、トルクをロータディスク６１に伝達させることができる。
【００４３】
キー部材６９を挿入したら、最後に、アウターホルダ７０を対向位置に移動させ、ネジ部材を半径方向に螺入して固定部７１で磁石ユニット６０Ａを半径方向で固定する。これにより、磁石ユニット６０にかかる半径方向の遠心力をアウターホルダ７０に受けさせることができる。
以上により、ロータ３０の取り付け作業が終了する。
【００４４】
一方、永久磁石３１を交換する場合には、先ず、固定部７１における固定解除を行い、ネジ部材７２を螺入解除する。そして、アウターホルダ７０を対向位置から退避位置に移動させる。次に、キー部材６９を半径方向に引き抜き、回転軸方向他方側（図４において紙面右側）からネジ部材７３の螺入解除を行い、磁石ユニット６０の保持面６１ａに対する締結固定を解除し、治具等を用いて交換するべき磁石ユニット６０を保持面６１ａに沿って半径方向に取り外す。
そして、上記と逆の手順を踏んで、新たな磁石ユニット６０をロータディスク６１に取り付けることとなる。
以上により、永久磁石３１の交換作業が終了する。
【００４５】
したがって、上述の本実施形態によれば、ロータ３０及びステータ４０が回転軸２０に沿う回転軸方向で対向配置される超電導モータ１であって、ロータ３０は、回転軸２０周りの周方向に配設された複数の永久磁石３１を有しており、上記複数の永久磁石３１を個別に上記回転軸２０と直交する半径方向に着脱自在とさせる着脱機構を有するという構成を採用することによって、回転軸２０にロータ３０を取り付けた状態で、半径方向から個別に１個ずつ永久磁石３１を着脱することが可能となる。したがって、ロータ３０の取り付け前に予め永久磁石３１を組み込む必要はなく、また、永久磁石３１の交換時においてもロータ３０を回転軸２０から取り外す必要はなくなるので、ロータ３０の取り付け及び永久磁石３１の交換の作業性を向上させることができる。
したがって、本発明では、ロータ３０の取り付け及び永久磁石３１の交換が容易となる超電導モータ１が得られる。
【００４６】
以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００４７】
例えば、上記実施形態では、アキシャルギャップ型回転機として超電導モータを採用したが、他の構成の電動機、あるいは、発電機であっても、本発明を適用することができる。
【符号の説明】
【００４８】
１…超電導モータ（アキシャルギャップ型回転機）、２０…回転軸、３０…ロータ、３１…永久磁石、４０…ステータ、５０…磁石フレーム（フレーム）、６０（６０Ａ，６０Ｂ）…磁石ユニット（第１の磁石ユニット、第２の磁石ユニット）、６１…ロータディスク、６１ａ…保持面、６６…突出部、６８…キー溝（溝）、６９…キー部材、７０…アウターホルダ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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